多要素地质调查钻探装备的研制及应用

宋新生

(1.安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010；2.安徽岩土钻凿工程有限责任公司，安徽六安 237010)

0 引言

当前，我国常住人口城镇化率达到60.6%，城市发展建设步入全新阶段。《关于加强城市地质工作的指导意见》及《城市地质调查总体方案(2017～2025年)》于2017年颁布，提出了大力推进“空间、资源、环境、灾害”多要素城市地质调查。不同于传统的水文地质、工程地质、区域地质及环境地质调查，多要素城市地质调查是全面、立体、系统性地聚焦城市规划、建设、运行及管理，以空间、资源、环境、灾害等为调查要素，以城市国土空间规划、重大工程建设、地质灾害防治、地下空间开发利用、海绵城市建设等多个方面作为工作内容[1-2]。

传统的地质装备以单要素为目标，如工程勘察钻机、资源勘查钻机、环境调查钻机[3-5]。对应的钻探技术方法也不尽相同，工程勘察以单管PDC取心为主，资源勘查以金刚石绳索取心为主，环境调查以冲击直推取样为主[6-7]。一个城市要做到“透明城市”，实施多要素地质调查工作，则需要在钻探手段上具备以上的功能[9-11]，即需要有多种装备支撑，这对传统的探矿队、水文队、环境院的技术装备储备提出了挑战。

我国发展到工业化中后期，传统地质单位处于转型升级阶段，服务于生态环境建设、多要素城市地质调查、水工环地质调查以及灾害、资源、空间、环境多要素城市承载力评价等。本文介绍一款多用途地质钻探装备的研制及应用。

1 性能与参数

如图1所示的GDL-1M型履带装多功能钻机是一种轻型、高效、多功能履带式全液压钻机，具有结构先进、使用方便、辅助时间短等特点，可用于浅层土壤、地下水环境取样，中小口径水井、监测井及浅层绳索取心探矿施工工程。配备液压冲击功能，可满足冲击破岩成孔作业、液体排放、地下微型桩、锚杆锚索、地质勘探等基础建设的施工要求，该钻机亦可选配泥浆泵，使用泥浆排渣，切削钻进。GDL-1M多功能环境钻机的主要参数见表1。

图1 GDL-1M多功能环境钻机

表1 GDL-1M多功能环境钻机主要参数

2 多功能动力头

如图2所示的全液压多功能动力头集液压高频冲击、高速回转、低速大扭矩回转多种功能于一体，通过远程液压换挡切换不同的输出转速。以高频冲击的方式将环境取样钻具静压+冲击的方式压入目标地层；以高速回转的方式实现600 m以内的小口径绳索取心钻进，同时搭配下置式水龙头满足钻进时的泥浆循环；以低速大扭矩的工艺方法实现螺旋和工程勘察的大口径工程需求。

图2 GDL-1M多功能动力头示意图

3 配套钻具

随着城镇建设的发展，环境钻探施工得到越来越多的应用。常规钻进工艺为无循环钻井液条件下直推式或冲击土壤取样，功能单一，适用性差。GDL-1M钻机的直推/冲击式取样钻具组合不仅可搭配冲击式动力头使用，还可以与冲击回转动力头配套使用，地层适应性更强，钻具结构如图3所示。快速取土工作时，液压缸的直推力施加到冲击头上，同时高频冲击施加到外管冲锤帽上进而达到取土的目的。在定点钻进时，首先由内钻杆顶紧活塞钻头防止土体进PVC管中，到达目的取样层时抽出内钻杆及其配套件，留下随着外管钻具向下冲击钻进的PVC管，在切削刃和冲击力的作用下，土体进入PVC取样管，取样回次结束时提出PVC管，即可获得目标层土样。

1.外管冲锤帽；2.钻具转换接头；3.内杆冲锤帽；4.内钻杆；5.内管塞；6.PVC管；7.外管钻具；8.岩心卡爪；9.活塞钻头；10.切削刃

GDL-1M多功能环境钻机的额定回转扭矩为4000 N·m，可使用外径120 mm的中空螺旋钻具进行钻进取样，在钻进过程中为了防止土体进入螺旋钻具内的中空部位，需采用木塞堵住钻头中心通道。

4 多工艺钻探解决方案

GDL-1M型钻机适用于具备一定路网条件下，600 m以内的浅层地质工程，包括工程勘察、环境调查、探矿工程等。钻机提供了多工艺钻探平台，配套了5种工艺性部件，针对不同的应用领域、施工工艺及工程地质的功能要求，为不同的动力头配置了多种工艺的钻具组合，满足原位工程勘察取样、环境原状取样、金刚石探矿取心等工程市场的多种需求，为客户提供高效率、低污染、少扰动、高质量、多手段的施工解决方案。

5 施工应用

在河南省开封市和焦作市的重点行业、企业用地调查初步采样工作中，采用GDL-1M型多功能环境勘察钻机共进行了62个点位的土壤取样和13个点位的水质取样施工。其中，在焦作施工了一口可用于长期地下水监测的监测井(图4)，以下以该井的施工为例，介绍施工过程及配套钻具的应用情况。

图4 GDL-1M钻机施工现场

由于该地区近几年的地下水水位平均埋深为13 m，所以将孔底滤水管的上开口设立在平均水位上方0.5 m处，埋深为12.5 m，下开口埋深15.5 m，且在孔底设50 cm沉淀管，通过对土层性质的分析，采用缝宽为0.2～0.5 mm的割缝筛管作为该水井的滤水管。该工程的设计井深为16 m，钻至目标深度之后，通过卡扣连接的方式先将外径为75 mm的U-PVC水管连接起来，并通过中空的螺旋钻具将水管下放至孔底。在滤水管和井管全部下放至孔底指定位置之后，需在过滤层段的井管孔壁之间充填滤料用于过滤水源，根据项目要求，选择直径1～2 mm圆度好且没有被污染的石英砂作为该滤料层的滤料。滤料层上方为止水层，止水层的材料选择为球状膨润土，待井内工序全部完成后，采用混凝土浇筑一座高于地面0.3 m以上的混凝土井台，为防止井内污染并标记井孔，盖上专用井管盖板。

在施工取样过程中GDL-1M型钻机整体运行平稳、状态良好，根据该钻机在实际工作过程中的表现，可分别对该钻机和取样工具进行了改进用于提高施工效率。虽然本次施工中主要钻进形式为无循环钻井液环境调查取样，但是考虑到市场的需求，为该钻机增加了循环泵配套方案，可以通过配备不同的泥浆泵实现地质勘探、工程勘察以及小口径水井的施工。

6 结语

GDL-1M多功能环境钻机具备适用于金刚石绳索取心的高速回转能力，其高频冲击功能可用于直推式取样，同时还可为大口径勘察取样提供足够大的扭矩。由于动力头具有多种工艺所具备的冲击、回转和高速性能，可用于多种不同的工艺方法，因此钻机平台上具有绳索取心绞车、泥浆泵、螺杆泵等多种不同的配置。基于液压传动、履带装载及孔口装置，根据多要素地质调查的要求，配套设备能够进行液压系统的配置，能够在平台上合理的布局，使钻机可以在不同的作业中有序地运转。GDL-1M型多功能地质钻探装备已经在多个省的水文、环境、资源领域的工程实践中得到了良好的应用，未来期待着在多要素地质调查钻探工艺技术的融合、在作业自动化方面、在勘察信息数字化方面继续推进设备升级，为拓展城镇化发展新空间，开辟城镇化建设新资源，构建城市资源环境安全体系，推动新型城镇化绿色、低碳、循环、安全、集约、智慧发展，做出更大的贡献。